【正文】 5 9 0+_+ 1 5 VR 21 0 0R 19 9 0V o = 1 m V / K(b) 基本應(yīng)用電路 測(cè)溫探頭電路的設(shè)計(jì)結(jié)合AD590及線性電流輸出的特性，我們?cè)O(shè)計(jì)了探頭測(cè)溫電路，關(guān)鍵部分是AD590和555定時(shí)器組成的溫度——頻率轉(zhuǎn)換電路，電路如圖所示：燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22R1T L C 5 5 5 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器C D 4 0 4 8 7光電池穩(wěn)壓電路L E D 驅(qū)動(dòng)電路A D 5 90C 17265138光纖傳輸光電池穩(wěn)壓電路32 測(cè)溫探頭電路圖 溫度——頻率轉(zhuǎn)換電路555定時(shí)器是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結(jié)合在一起的中規(guī)模集成電路，555 定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。℃。AD590可以承受 44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞；(4)輸出電阻為71OMΩ；(5)精度高。電源電壓可在4V ～6V 范圍變化，電流變化1181。它的主要特性如下：(1)流過(guò)器件的電流(181。A／K。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV／K ，溫度O ℃時(shí)輸出為O，溫度25℃。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。本章具體分析了光纖元器件的工作原理及性能特點(diǎn)，并根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的具體用途，選擇適合的元器件，設(shè)計(jì)了光纖傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫度信號(hào)的可靠傳遞。本課題選用光電池作探頭電源，根據(jù)其性能設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電路，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，暗電流 的大小還dI與其工作溫度、偏壓和探測(cè)器類型等因素密切相關(guān)。由載流子產(chǎn)生—復(fù)合引起的暗電流是很小的（ ） 。 暗電流理想條件下，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光電檢測(cè)器應(yīng)無(wú)電流輸出。對(duì)于工作在反向偏置電壓的三四元合金PINPD，其響應(yīng)時(shí)間可達(dá)100 ps 以下，但是在光伏模式下的響應(yīng)時(shí)間要大的多(1 μs)。比較合理的做法是選擇一定的耗盡層寬度使得載流子渡越時(shí)間是調(diào)制周期的一半。減小探測(cè)器的面積可以有效減少結(jié)電容和暗電流，但是小面積的探測(cè)器給光纖的有效耦合帶來(lái)了難度。設(shè)載流子擴(kuò)散系數(shù) ，則擴(kuò)散距離d 所需要的時(shí)間是：CDcrift2?燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18(3)光電二極管耗盡區(qū)電容 耗盡層的電容是影響速度的主要因素之一，這就意味著大面積的探測(cè)器不能用于探測(cè)調(diào)制頻率較高的光信號(hào)。在半導(dǎo)體光探測(cè)器中，影響響應(yīng)速度的因素主要有：(1)耗盡區(qū)內(nèi)載流子的渡越時(shí)間 當(dāng)耗盡區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)達(dá)到飽和時(shí)，載流子以最大漂移速度咋運(yùn)動(dòng)，設(shè)定耗盡區(qū)寬度，則渡越時(shí)間為： driftvW?(2)耗盡區(qū)外載流子擴(kuò)散時(shí)間 載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)較慢，而且大部分產(chǎn)生在耗盡區(qū)外的載流子壽命較短，很快就會(huì)復(fù)合。 響應(yīng)速度光電二極管的響應(yīng)速度是由探測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間或下降時(shí)間來(lái)衡量的，通常取兩者之間較大的值。GePIN在λ = μm 處， ，R= μA/μW；SiPIN在λ = μm處，R= μ A/μW；InGeAsPIN在λ = μ m處， R= μA/μW。當(dāng)aw 1時(shí)，η 可以接近于 ，前面可知a與η 0I有關(guān)，η 、R亦隨λ 發(fā)生變化。c??假定半導(dǎo)體材料吸收光子全部轉(zhuǎn)換為電子空穴對(duì)，通過(guò)計(jì)算半導(dǎo)體—空氣界面的反射損耗和耗盡層透射損耗，可以計(jì)算出η 和a 之間關(guān)系。(1)電壓響應(yīng)度 設(shè) 為探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)電壓，P 為入射功率，規(guī)VRUs定P 和s U 均取有效值。通常在實(shí)際工作中，用單位入射光功率I與產(chǎn)生光電流P的關(guān)系，即響應(yīng)度來(lái)表示。理想狀態(tài)下，一個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子，即 η ＝1，通常 η 1， η 越大，效率越高。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16 量子效率量子效率的定義為吸收一個(gè)入射光子時(shí)能夠產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)個(gè)數(shù)，是半導(dǎo)體光探測(cè)器最重要的指標(biāo)，光電探測(cè)器吸收光子產(chǎn)生電子，光電子形成光電流，光電流與光功率成正比。由于在適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘合?，這層高阻區(qū)就是耗盡區(qū)，耗盡區(qū)寬度的增加允許更多的光生電子—空穴對(duì)在高場(chǎng)區(qū)產(chǎn)生，同時(shí)降低了光電探測(cè)器的結(jié)電容，因此其響應(yīng)速度和靈敏度明顯提高。當(dāng)半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PN光探測(cè)器的核心即由P型和N型半導(dǎo)體材料形成的PN 結(jié)上會(huì)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。故對(duì)于NA，邊發(fā)射型LED 能藕合進(jìn)更多的光功率，而NA=，故選用邊發(fā)射型LED。第 2 章 光致電源及光纖傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)15LED主要有五種結(jié)構(gòu)類型，但應(yīng)用較廣泛的只有兩種，即面發(fā)光二極管(SLED)和邊發(fā)光二極管(ELED)，是根據(jù)其發(fā)光面與PN結(jié)平行或垂直而劃分的。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入 P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。本節(jié)中將對(duì)LED發(fā)光機(jī)理和特性的分析，以設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，使它工作在最佳狀態(tài)。(3)工作穩(wěn)定，輸出功率隨溫度變化較小，不需要精確的溫度控制，驅(qū)動(dòng)電路很簡(jiǎn)單，可以在很低的驅(qū)動(dòng)電流下工作，這對(duì)于微功耗測(cè)溫探頭來(lái)說(shuō)是非常重要的。(1)由于不存在閥值特性，不會(huì)出現(xiàn)闡值電流因溫度升高而導(dǎo)致工作停止，它的PI線性很好，利于實(shí)現(xiàn)信號(hào)無(wú)畸變調(diào)制。我們選用LED作為系統(tǒng)的信號(hào)光源。一般情況下功率光源采用半導(dǎo)體激光器LD，信號(hào)光源采用半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED。(5)強(qiáng)度噪聲比要小，以提高模擬調(diào)制系統(tǒng)的信噪比。(3)光電轉(zhuǎn)換效率高，驅(qū)動(dòng)功率低，同時(shí)要求壽命長(zhǎng)，可靠性高。因此光源是其中很重要的一部分，它需要滿足以下的條件:(1)光源發(fā)射的峰值波長(zhǎng)應(yīng)在光纖低損耗窗口之間，即與石英光纖三個(gè)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14, , 181。在本系統(tǒng)中，由于光纖只是傳輸信號(hào)，而且傳輸距離較短(6km左右) ，對(duì)于損耗的要求不是很高，并用同樣峰值波長(zhǎng)的PD作為光電轉(zhuǎn)換元件，以降低成本。, , 。對(duì)于石英光纖，本征吸收有兩個(gè)吸收帶。本征吸收是指光纖基本材料(例如:純Site )固有的吸收。吸收損耗是光波通過(guò)光纖的材料時(shí)，有一部分光能變成熱能，從而造成光功率的損失。設(shè)輸入功率為 ，則由上式知經(jīng)長(zhǎng)為L(zhǎng)的光纖傳輸后的輸出功率為inp （23）)exp(LPinout???一般 以dB/km為單位，所以上式可寫為 ??)/(/lg10kmdBPinout??? （24）第 2 章 光致電源及光纖傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)13稱為光纖損耗系數(shù)。形成光纖損耗的原因很多，既有來(lái)自光纖本身的損耗，也有光纖與光源的藕合損耗以及光纖之間的連接損耗。衰減是光纖的一個(gè)重要的傳輸參數(shù)。只有降低光纖損耗才能有效傳輸光功率，保證傳感器的正常工作。通~ 之間。PO ’KTOQH???圖26 斜光線的全反射斜光線的全反射條件為： (27)21)/(sincon????燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12利用折射定律 sin? = sinθ 得到光纖中傳播斜光線滿足如下條件：0n1 (28)021sicon????斜光線的數(shù)值孔徑為： (29)??cos221NA??斜斜光線的數(shù)值孔徑比子午光線的數(shù)值孔徑大，NA 越大光纖的聚光能力越強(qiáng)，可得到越高的耦合效率。如圖25所示。c光纖的數(shù)值孔徑NA(Numerical Aperture)定義為： (26)2210sinNA?子 午數(shù)值孔徑是光纖接收入射光能力的重要參數(shù)，它表示入射到光纖端面上的光線，只有與纖芯軸夾角為ψ 的圓錐體內(nèi)的入射光線才能在纖芯內(nèi)傳播。(1)子午光線的傳播 通過(guò)光纖中心軸的平面稱為子午面，位于子午面內(nèi)的光線稱為子午光線，要使光能完全限制在光纖內(nèi)傳輸，應(yīng)使光線在纖芯—包層分界面上的入射角 大于或等于臨界角 ，即：i?c?2an 0n 1n 2??第 2 章 光致電源及光纖傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)11圖25 子午光線的全反射由圖25 可知，φ =90176。c 光線在均勻光纖中的傳播 所謂均勻光纖，是指纖芯中的折射率分布式均勻的、不隨半徑變化的光纖。12?足下面的關(guān)系式，即： 21sinin?，假設(shè) ， 因此折射角 大于入射角 。 光纖的導(dǎo)光原理 光在介質(zhì)分界面上的全反射 當(dāng)光線從折射率為n1的介質(zhì)入射到折射率為2 n 的介質(zhì)的分界面上時(shí)，將產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，如圖24。涂敷層的材料一般為環(huán)氧樹(shù)脂、硅橡膠等高分子材料，外徑約250 μm。包層為緊貼纖芯的材料層，折射率略小于纖芯材料的折射率，其材料一般為純二氧化硅，有時(shí)也摻雜微量的三氧化二硼(B2O3)或四氧化而硅(Si2O4)以降低包層的折射率。纖芯的折射率較高，其主要成分為二氧化硅(SiO2) ，其中摻雜極少量的其他材料，如二氧化鍺(GeO2)等。涂敷層與護(hù)套層則起到隔離雜散光、提高光纖強(qiáng)度、保護(hù)光纖等作用。光纖的典型結(jié)構(gòu)是多層同軸圓柱體，一般是由折射率較高的纖芯、折射率較低的包層以及涂敷層和護(hù)套構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖23 所示。 光纖的特性與選擇 光纖的結(jié)構(gòu)光纖是用高透明度的石英(或其他材料)經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫傻?，工作在光波波段的一種介質(zhì)波導(dǎo)材料。因此偏振調(diào)制型和相調(diào)制型傳感器是目前研究和開(kāi)發(fā)的主要對(duì)象。其中光強(qiáng)調(diào)制型在一般工程測(cè)量中因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍大而應(yīng)用在精度要求不太高的場(chǎng)合較多；而在對(duì)測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)所則采用偏振和相位調(diào)制型。在目前開(kāi)發(fā)的高精度、高分辨力及結(jié)構(gòu)小型化的傳感器中多以功能型傳感器為主。功能型傳感器中光纖既起到傳光的作用又起到傳感的作用，并將這些參數(shù)的檢測(cè)轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)的檢測(cè)?？沙浞掷矛F(xiàn)有的優(yōu)質(zhì)敏感元件來(lái)提高傳感器的靈敏度，同時(shí)采用纖芯直徑較大、傳遞光通量大且受外界環(huán)境影響小的多模光纖。一類是非功能型或傳光型光纖傳感器NFF(Nonfunction Fiber Optic Sensor)，另一類是功能型或傳感型光纖傳感器FF(Function Fiber Optic Sensor)。光纖傳感器可從光纖的功能、信號(hào)調(diào)制方式及被測(cè)對(duì)象等不同角度進(jìn)行分類。所謂傳輸，是指光纖將受外界信號(hào)調(diào)制的光波傳輸?shù)焦馓綔y(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，將外界信號(hào)從光波中提取出來(lái)并按照需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也就是解調(diào)。所謂對(duì)被測(cè)量的感知，是指外界信號(hào)按照其變化規(guī)律使光纖中傳輸光波的物理特征參量，如強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化，測(cè)量光參量的變化即“感知”外界信號(hào)的變化。光纖傳感器的基本原理見(jiàn)圖22。圖22 光纖傳感原理示意圖當(dāng)光波在光纖中傳播時(shí)，光纖受外界因素的影響，會(huì)直接或間接引起表征光波的特征參量如光強(qiáng)、相位、頻率、波長(zhǎng)等的變化。目前光纖傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)位移、壓力、速度、加速度、應(yīng)變、電壓、電流、濃度、溫度、流量、轉(zhuǎn)矩以及磁、聲、光、射線等70多種物理量的檢測(cè)。(6)光纖傳感器系統(tǒng)易于和計(jì)算機(jī)連接，以實(shí)現(xiàn)多功能、智能化的要求，其是無(wú)源器件，對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響。(5)光纖的信息容量大，易于組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，巨大的帶寬使得它可以傳輸大量信息。第 2 章 光致電源及光纖傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)7(3)光纖柔軟、芯細(xì)，可做成任意形狀的傳感器及陣列以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、分布式傳感，光纖傳輸損耗小，適合于長(zhǎng)距離的在線測(cè)量，由光纖將信號(hào)引出，在遠(yuǎn)距離安全地帶進(jìn)行遙控遙測(cè)。(2)光纖傳感器防爆性能好，耐腐蝕，所用光功率一般很低，不像電傳感器會(huì)產(chǎn)生電火花，可能引起氣體爆炸。光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比主要差別在于：傳統(tǒng)的傳感器是以應(yīng)變—電量為基礎(chǔ)，以電信號(hào)為轉(zhuǎn)換及傳輸?shù)妮d體，用導(dǎo)線傳輸電信號(hào)，因而使用時(shí)受到環(huán)境的限制，如環(huán)境濕度太大可能引起短路，特別是在高溫和易燃、易爆環(huán)境中容易引起事故等，而光纖傳感器是以光信號(hào)為變換和傳輸?shù)妮d體，利用光纖傳輸信號(hào)。光纖傳感器(Fiber Optic Sensor)是自70年代起隨光纖通訊及光纖傳感等相關(guān)技術(shù)發(fā)展而飛速發(fā)展的新型傳感器。 光纖傳感器概述光纖傳感技術(shù)是伴隨著光纖及光纖通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種光學(xué)傳感技術(shù)。眾所周知，pn 結(jié)在光照射下會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，硅光電池就是根據(jù)這一效應(yīng)制成的。在硅光電池受光表面上蒸發(fā)或?yàn)R射著一層很薄的天藍(lán)色一氧化硅膜，該膜具有防反射作用，因此通常稱為防反射膜。它的性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高、能耐高溫輻射，而且在工作時(shí)不需外加偏置電壓，接受面積小，使用方便。其中硅光電池是目前應(yīng)用最廣泛的光伏探測(cè)器之一，它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，核心部分是一個(gè)大面積的 PN 結(jié)。光電池的種類很多，常用有硒光電池、硅光電池和硫化鉈、硫化銀光電池等。使用光電池供電，可以很好的勝任這個(gè)工作。(2)由于測(cè)溫探頭要置干高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，所以要求探頭電源在高電壓、大龜流、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中能夠長(zhǎng)期可靠的工作。除了電測(cè)探頭的有源性之外，它基本上保持了光功率推動(dòng)光纖溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)等電器設(shè)備的在線溫度監(jiān)測(cè)。光纖傳輸光推動(dòng)溫度傳感器與光功率推動(dòng)光纖溫度傳感器的區(qū)別在于后者中光纖只起信號(hào)傳輸?shù)淖饔?，探頭電源采用硅光電池推動(dòng)，系統(tǒng)需外加光源。儀表端應(yīng)包括光功率發(fā)送部分和光信號(hào)接受部分，電測(cè)探頭端應(yīng)包括功率接收和高效率光電轉(zhuǎn)換部分和信號(hào)檢測(cè)及光信號(hào)發(fā)送部分。光